DE3621464A1

DE3621464A1 - Optical system of a monochromator

Info

Publication number: DE3621464A1
Application number: DE19863621464
Authority: DE
Inventors: Jan Dr Ing Jasny
Original assignee: Polska Akademia Nauk Instytut Chemii Fizycznej; Polska Akademia Nauk Instytut
Current assignee: Polska Akademia Nauk Instytut Chemii Fizycznej; Polska Akademia Nauk Instytut
Priority date: 1985-06-28
Filing date: 1986-06-26
Publication date: 1987-01-08
Also published as: DE3621464C2; PL254239A1; PL146554B1

Abstract

The system contains two fixed slits (S1, S2) mounted on a Rowland focussing circle, a fixed concave diffraction grating (D) and a cylindrical concave mirror (Z) which is mounted capable of rotation about the axis which passes through the centre (P) of the Rowland circle and is perpendicular to the plane of this circle. The straight-line generator (generating line) of the apex of the mirror (Z) lies in the plane of the Rowland circle and intersects the axis of rotation of this mirror. <IMAGE>

Description

Erfindungsgegenstand ist ein optisches System eines Monochromators.The subject of the invention is an optical system Monochromator.

Allgemein bekannt sind Monochromatoren, deren optisches System aus zwei Spalten und einem Rowlandgitter besteht, d.h. aus einem Beugungsgitter, dessen Rillen mit gleich mäßiger Häufigkeit an der konkaven kugelförmigen Fläche angeordnet sind. In diesen Monochromatoren ist das Gitter oder wenigstens einer der Spalte beweglich.Monochromators whose optical System consists of two columns and a Rowland grid, i.e. from a diffraction grating, the grooves of which are the same moderate frequency on the concave spherical surface are arranged. The grating is in these monochromators or at least one of the gaps is movable.

Der Nachteil der obengenannten Systeme ist deren großer Astigmatismus, d.h. ein optischer Fehler, der darin be steht, daß gewisse Punkte jedes Spaltes durch das Gitter linear verzerrt abgebildet werden. Dieser Fehler erscheint derart, daß das Bild der Seitenkanten des Spaltes in der einen Ebene und das Bild der Spitzenkanten des Spaltes in einer anderen Ebene abgebildet wird, die erheblich von der ersten entfernt ist. Es existiert daher keine Möglichkeit, das Bild eines Spaltes im anderen Spalt abzubilden, was mit einem großen Verlust an Licht verbunden ist, das durch den Monochromator durchgelassen wird.The disadvantage of the above systems is their great Astigmatism, i.e. a visual error that is in it stands for certain points of each slit through the grid linearly distorted. This error appears such that the image of the side edges of the gap in the a plane and the image of the tip edges of the gap in another level that is significantly different from the first is removed. So there is no way to map the image of a slit in the other slit what is associated with a large loss of light through the monochromator is let through.

Bekannt sind zwei Verfahren zur bedeutenden Verminderung des Astigmatismus, d.h. des oben beschriebenen optischen Fehlers des Monochromators.Two methods of significant reduction are known astigmatism, i.e. of the optical described above Monochromator error.

Das erste Verfahren besteht in der Anwendung von asphäri schen, d.h. nicht kugelförmigen konkaven Flächen des Git ters. Die Herstellungstechnologie solcher Flächen ist je doch extrem arbeits- und zeitaufwendig und mit großen Kosten verbunden.The first method is to use aspheric that is, non-spherical concave surfaces of the git ters. The manufacturing technology of such surfaces is ever but extremely labor and time consuming and with large Associated costs.

Das zweite Verfahren, bekannt aus dem Lehrbuch der Firma JOBIN YVON mit dem Titel: "DIFFRACTION GRATINGS RULED AND HOLOGRAPHIC" 1976, besteht in der Anwendung von Git tern mit ungleichförmig angeordneten Rillen. Die Herstel lungstechnologie solcher Gitter wird zwar schon gut be herrscht und ist auch verhältnismäßig ökonomisch, jedoch ergibt sich bei diesen Gittern der Nachteil der Unlineari tät des durch sie entwickelten Spektrumbildes. Im Zusam menhang damit ist das Umformwerk, das die Wellenlänge des durch Monochromator durchgehenden Lichtes anzeigt, kompli ziert und teuer.The second method, known from the company's textbook JOBIN YVON with the title: "DIFFRACTION GRATINGS RULED AND HOLOGRAPHIC "1976, consists in the use of Git ters with irregularly arranged grooves. The manufacturer Development technology of such grids is already being used well prevails and is also relatively economical, however the disadvantage of these grids is the disadvantage of the unlineari activity of the spectrum image developed by them. Together this is the forming mechanism that defines the wavelength of the light transmitted through monochromator, compli graced and expensive.

Allgemein bekannt sind auch Doppelchromatoren, bestehend aus zwei Monochromatoren mit Rowlandgitter, die eine Ver minderung des sogenannten Parasitlichtes erstreben. Diese Monochromatoren weisen die gleichen oben dargestell ten Fehler auf.Double chromators are also generally known from two monochromators with Rowland grating, which a ver strive to reduce the so-called parasite light. These monochromats have the same shown above errors.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein solches optisches System eines Monochromators anzugeben, das einen minimalen Astig matismus auch bei Einsatz des üblichen Rowlandgitters auf weist.The object of the invention is such an optical system of a monochromator to indicate a minimal branch matism even when using the usual Rowland grid points.

Diese Aufgabe wird durch ein optisches System eines Mono chromators, das zwei auf dem Rowlandkreis angeordnete un bewegliche Spalte sowie ein unbewegliches Rowlandgitter, d.h. ein konkaves Beugungsgitter mit gleichmäßig angeord neten Rillen enthält, dadurch gelöst, daß es einen zylin drischen Konkavspiegel enthält, der drehbar um die Achse, die durch die Mitte des Rowlandkreises geht und senkrecht zur Ebene dieses Kreises steht, gelagert ist, wobei die Spitzenerzeugende des Spiegels in der Ebene des Rowland kreises liegt und sich mit der Drehachse dieses Spiegels schneidet.This task is accomplished through an optical system of a mono chromators, the two un arranged on the Rowlandkreis movable column and an immovable Rowland grid, i.e. a concave diffraction grating with evenly arranged Contains neten grooves, solved in that it has a zylin contains a concave mirror that rotates around the axis, which goes through the middle of the Rowland circle and vertically stands at the level of this circle, is mounted, the Peak generators of the mirror in the Rowland plain circle lies and with the axis of rotation of this mirror cuts.

Bei diesem optischen System eines Monochromators ist der Astigmatismus bedeutend vermindert worden trotz der Anwendung eines Gitters mit kugelförmiger Fläche und mit gleich mäßig angeordneten Rillen. Die Wellenlängenänderung des durch den Monochromator durchgehenden Lichtes wird durch die übliche Drehung des den Astigmatismus korrigierenden optischen Elementes durchgeführt.In this optical system of a monochromator is the Astigmatism has been significantly reduced despite the application a grid with a spherical surface and with the same moderately arranged grooves. The change in wavelength of the light passing through the monochromator is transmitted through the usual rotation of the astigmatism corrective optical element performed.

Nachstehend wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen unter Bezug auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:The invention is illustrated below using exemplary embodiments explained in more detail with reference to drawings. It shows:

Fig. 1 einen Querschnitt durch das optische System eines Monochromators, Fig. 1 shows a cross section through the optical system of a monochromator,

Fig. 2 den Querschnitt durch das optische System eines Doppelmonochromators. Fig. 2 shows the cross section through the optical system of a double monochromator.

Die Querschnitte liegen jeweils in der Symmetrieebene des angegebenen Systems.The cross sections each lie in the plane of symmetry of the specified system.

Das in Fig. 1 dargestellte optische System eines Monochro mators besteht aus zwei Spalten S 1 und S 2, einem konkaven Gitter D mit einem Radius der kugelförmigen Fläche RD so wie aus einem zylindrischen Konkavspiegel Z mit einem Ra dius der Zylinderfläche RZ. Die Spalte S 1 und S 2 sowie das Gitter D sind unbeweglich. Der Spiegel Z befindet sich in einer Drehfassung und ist um die Achse drehbar, die zur Zeichnungsebene senkrecht steht und durch den Punkt P geht. Dieser Punkt P liegt in der optischen Achse des Gitters D genau in der Mitte zwischen dem Scheitel W und dem Mittel punkt K der kugelförmigen Fläche des Gitters D. Die Achse der Zylinderfläche des Spiegels Z verläuft senkrecht zur Drehachse des Spiegels und die Spitzenerzeugende WT dieser Zylinderfläche schneidet die Drehachse im Punkt P. Die Mittelpunkte der Spalte S 1 und S 2 liegen auf dem sogenann ten Rowlandkreis OR, d.h. auf dem Kreis, der durch den Mittelpunkt K geht und mit dem Scheitel W der kugelförmi gen Fläche des Gitters D in Berührung steht. Der Punkt P ist der Mittelpunkt des Kreises OR, daher teilt die Erzeugende WT den Kreis in zwei gleiche Teile, was zur Folge hat, daß der Spiegel Z alle Punkte abbildet, die auf dem Kreis OR auf demselben Teilkreis liegen. Die Eigen schaft des Rowlandgitters ist, daß es für die auf dem Rowlandkreis angeordneten Spalte ein scharfes Bild der Seitenkanten dieser Spalte auf dem Kreis abbildet. Für das divergente Lichtbündel, das vom Spalt S 1 ausgeht und vom Gitter D reflektiert wird, wäre ein entsprechendes Bild des Spaltes S 1 am Punkt O 1 entstanden; aber noch vor Errei chen des Punktes O 1 wird das Licht derart vom Spiegel Z reflektiert, daß es sich bei entsprechendem Einstellen dieses Spiegels in dem Spalt S 2 konzentriert und an die ser Stelle ein scharfes Bild von Seitenkanten des Spal tes S 1 abbildet. Die Spitzenkanten des Spaltes S 1 würden durch das Gitter D am Punkt O 2 abgebildet, d.h. weit außer halb des Kreises OR. Durch die Auswahl des entsprechenden Radius RZ der Zylinderfläche des Spiegels Z erreicht man, daß im Spalt S 2 auch ein scharfes Bild von den Spitzen kanten des Spaltes S 1 gebildet wird, d.h. man gewinnt ein Bild, das vollständig vom Fehler des Astigmatismus befreit ist.The optical system shown in Fig. 1 of a monochromator consists of two columns S 1 and S 2 , a concave grating D with a radius of the spherical surface RD as well as a cylindrical concave mirror Z with a radius of the cylinder surface RZ . The gaps S 1 and S 2 and the grid D are immobile. The mirror Z is in a rotary version and can be rotated about the axis which is perpendicular to the plane of the drawing and passes through point P. This point P lies in the optical axis of the grating D exactly in the middle between the apex W and the center point K of the spherical surface of the grating D. The axis of the cylindrical surface of the mirror Z is perpendicular to the axis of rotation of the mirror and the tip-generating WT of this cylindrical surface intersects the axis of rotation at point P. The centers of the columns S 1 and S 2 lie on the so-called Rowland circle OR , that is, on the circle that passes through the center K and is in contact with the apex W of the spherical surface of the grating D. The point P is the center of the circle OR , therefore the generating WT divides the circle into two equal parts, with the result that the mirror Z images all points which lie on the circle OR on the same pitch circle. The property of the Rowland grid is that it forms a sharp image of the side edges of this column on the circle for the column arranged on the Rowland circle. A corresponding image of the slit S 1 at the point O 1 would have been produced for the divergent light beam which originates from the slit S 1 and is reflected by the grating D ; but even before reaching the point O 1 , the light is reflected from the mirror Z in such a way that it is concentrated in the gap S 2 when this mirror is appropriately adjusted and a sharp image of side edges of the column S 1 is reproduced in the water. The tip edges of the gap S 1 would be represented by the grid D at the point O 2 , ie far outside the circle OR . By selecting the corresponding radius RZ of the cylindrical surface of the mirror Z , it is achieved that a sharp image of the tip edges of the gap S 1 is also formed in the gap S 2 , ie an image is obtained which is completely free from the error of astigmatism.

Für diverse Lichtwellenlängen bildet das Gitter D das Bild O 1 in diversen Punkten des Kreises OR ab. Durch eine entsprechende Drehung des Spiegels Z um die Drehachse, die durch den Punkt P geht, kann jeder dieser Punkte des Kreises im Mittelpunkt des Spaltes S 2 abgebildet werden. Hierin besteht das Einstellen des Monochromators auf die gewünschte Wellenlänge.For various wavelengths of light, grating D depicts image O 1 in various points of the circle OR . By a corresponding rotation of the mirror Z about the axis of rotation, which goes through the point P , each of these points of the circle can be imaged in the center of the gap S 2 . This is the setting of the monochromator to the desired wavelength.

Entprechend den Eigenschaften der Arbeit des Rowlandgit ters ist die Größe der Wellenlängenänderung proportional zur Größe des Drehwinkels des Spiegels Z. Die Stellung des Spaltes S 1 auf dem Kreis OR wird derart ausgewählt, daß das durch diesen Spalt durchgehende Licht nicht auf die Kante des Spiegels Z fällt, unabhängig von der Winkel einstellung dieses Spiegels im Rahmen des Winkelbereichs, der dem Meßbereich des Monochromators entspricht. Außerdem soll der Spiegel Z ausreichend lang sein, damit das vom Git ter D reflektierte Licht bei jeder seiner Winkeleinstellun gen im Rahmen des Meßbereiches vollständig vom Spiegel Z reflektiert wird. Der Spiegelradius RZ soll die Gewinnung der optimalen Qualität des Bildes des Spaltes S 1 im Spalt S 2 bei einer Lichtwellenlänge, die dem Mittelpunkt des Meß bereiches entspricht, sichern. Dann ist der Astigmatismus des optischen Systems über den ganzen Meßbereich verhält nismäßig sehr gering.According to the properties of the work of the Rowland grating, the magnitude of the change in wavelength is proportional to the magnitude of the angle of rotation of the mirror Z. The position of the gap S 1 on the circle OR is selected such that the light passing through this gap does not fall on the edge of the mirror Z , regardless of the angle setting of this mirror within the angular range which corresponds to the measuring range of the monochromator. In addition, the mirror Z should be long enough so that the light reflected from the grid ter D is completely reflected by the mirror Z at each of its angle settings within the measuring range. The mirror radius RZ is intended to ensure the optimal quality of the image of the gap S 1 in the gap S 2 at a light wavelength which corresponds to the center of the measuring range. Then the astigmatism of the optical system over the entire measuring range is relatively low.

In Fig. 2 ist das optische System eines Doppelmonochroma tors dargestellt, bestehend aus zwei oben beschriebenen Systemen. Die einzelnen unären Systeme sind zueinander um den geraden Winkel (180°) gedreht und sie berühren sich in dem Punkt, der dem Mittelpunkt des Spaltes S 2 in Fig. 1 entspricht. Da am Berührungspunkt diese Systeme das Spek trumbild in entgegengesetzten Richtungen entwickeln, kann der Spalt S 2 weggelassen sein. Um die optisch aktive Flä che beider Gitter D 1 und D 2 besser auszunutzen, befindet sich am Berührungspunkt eine Glas- oder Quarzlinse S mit derart ausgewählter optischer Leistung, daß sie das Bild des Gitters D 1 an der Fläche des Gitters D 2 abbildet und umgekehrt. Der zusätzliche Vorteil des Systems nach Fig. 2 ist, daß die optische Achse des Lichtbündels, das in den Doppelmonochromator hineingeht sowie die optische Achse des Lichtbündels, das aus ihm herausgeht, ihre Richtung wäh rend des Verstellens der Wellenlänge des durchlässigen Lichtes nicht ändern. Das ist ein Vorzug, den bekannte Monochromatoren mit Rowlandgitter nicht aufweisen.In Fig. 2, the optical system of a Doppelmonochroma gate is shown, consisting of two systems described above. The individual unary systems are rotated to each other by a straight angle (180 °) and they touch at the point that corresponds to the center of the gap S 2 in FIG. 1. Since these systems develop the spectrum image in opposite directions at the point of contact, the gap S 2 can be omitted. To make better use of the optically active surface of both gratings D 1 and D 2 , there is a glass or quartz lens S at the point of contact with optical power selected in such a way that it images the image of grating D 1 on the surface of grating D 2 and vice versa . The additional advantage of the system of Fig. 2 is that the optical axis of the light beam entering the double monochromator and the optical axis of the light beam emerging from it do not change direction during the adjustment of the wavelength of the transmissive light. This is an advantage that known monochromators with Rowland grids do not have.

Claims

Optical system of a monochromator, comprising two columns set up on the Rowland circle and a Rowland grating, ie a concave diffraction grating, characterized in that it contains a cylindrical concave mirror (Z) which is rotatable about the axis which passes through the center point (P) of the Rowland circle and is perpendicular to the plane of this circle, is mounted, the top generator of the mirror (Z) lying in the plane of the Rowland circle and intersecting the axis of rotation of this mirror and wherein both the column ( S 1 , S 2 ) and the Rowland grid ( D) are arranged immovably.